'힘세고 오래 가는 배터리' 나노입자로 만든다

'힘세고 오래 가는 배터리' 나노입자로 만든다
기초과학연구원 "리튬이온전지 성능 높일 이산화타이타늄 구조 확인"



(대전=연합뉴스) 이재림 기자 = 리튬이온전지 성능 한계를 극복할 수 있는 새로운 연구 결과가 보고됐다.
기초과학연구원(IBS)은 나노입자 연구단 연구팀이 힘세고 오래 가는 배터리를 구현할 신소재를 개발했다고 10일 밝혔다.
리튬이온전지는 스마트폰이나 랩톱 컴퓨터 등에 광범위하게 쓰인다. 전기 자동차에도 활용한다.
가벼울 뿐 아니라 무게 대비 에너지 밀도가 비교적 크고 전력손실이 적다는 장점도 있다.
리튬이온전지 작동 원리는 리튬이온 이동에 있다.
배터리를 사용(방전)할 땐 음(-)극에 포함된 리튬이온이 양(+)극으로 이동해 삽입된다.
충전 시엔 정반대로 반응한다.
학계에선 전지 용량을 높이기 위해 전극을 개선하는 연구를 진행하고 있다.
음극 소재로 사용하는 흑연(탄소)을 다른 소재로 대체하는 게 목표다.

IBS 연구팀은 이산화타이타늄에 주목했다.
이산화타이타늄은 격자 사이사이 리튬을 저장할 수 있다.
배터리 용량을 높이기에 적절한 구조라는 평가가 나오는 건 이 때문이다.
흑연보다 저렴하고 안정적이기까지 하다.
다만, 아직 이론상 용량의 절반 정도밖에 성능을 끌어내지 못하고 있다는 점은 상용화의 걸림돌이다.
현택환 단장과 성영은 부연구단장이 이끄는 연구팀은 ㎚(나노미터·10억 분의 1ｍ) 수준 이산화타이타늄 입자를 이용해 최적화한 구조를 발굴했다.
제자리분석방법(in situ experiment)을 통해 관찰하면서 다양하게 합성한 나노 구조 리튬이온 수송 과정을 분석한 결과다.
연구팀에 따르면 5nm 크기 이산화타이타늄 입자가 집합체로 모여 속이 빈 '구 형태'(hollow nano structure) 2차 입자를 형성할 때 가장 안정적이면서 효율적으로 리튬을 저장했다.
넓은 표면에서 일어나는 리튬과의 화학적 반응은 최소화하면서 리튬이 내부로 삽입되는 반응의 비중을 키우기 유리하기 때문이다.

포항 방사광가속기에서 엑스선 분광실험을 진행하며 미시적 구조와 배터리 성능 사이 관계도 살폈다.
이를 통해 새로 개발한 배터리는 저장 성능을 30％ 이상 높이면서도, 500회 이상 반복 충·방전에도 고용량과 고출력 성능을 유지한다는 사실을 확인했다.
IBS 성영은 부연구단장은 "나노입자의 성능 한계, 안정성, 안전 문제를 모두 해결할 수 있는 새로운 방향을 보여준 것"이라며 "이번 연구에서 개발된 구조는 이산화타이타늄뿐 아니라 모든 나노입자에 적용할 수 있다"고 말했다.
연구 성과는 지난달 27일 미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society) 온라인판에 실렸다.
walden@yna.co.kr
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